汽油机未燃碳氢排放的数值模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文汽油机未燃碳氢排放的数值模拟姓名：邹云川申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：陈国华20040512I摘 要 本文在未燃碳氢生成机理的基础上建立了汽油机未燃碳氢排放的预测模型并以 NJG427A5 为研究对象 对汽油机稳定工况下尾气中碳氢排放量随部分参量的变化规律进行了全面分析 介绍了国内外未燃碳氢排放数值模拟的发展情况并进行了相应的对比分析从中找到了解决问题的关键通过对未燃碳氢生成机理的研究认为未燃 HC 主要来源于狭缝间隙润滑油膜集碳层淬冷层燃油液滴以及排气门泄漏等六个方面 其次通过适当简化发动机未燃碳氢的生成过程以顶岸环间隙和润滑油膜层为代表建立了碳氢生成模型建模过程中假设间隙中的气体遵守理想气体状态方程润滑油膜对燃油的吸收和释放过程遵守亨利定理以狭缝间隙处燃油混合气作为缸内未燃HC 氧化的主体根据 MIN 提出的阈值理论进行了建模在废气残余系数和排气管氧化模型中采用经验公式以 FORTRAN90为平台以发动机的基本结构为自变量使模型能够预测不同结构发动机的未燃碳氢排放 以 NJG427A5 为研究对象在不同转速下测录了发动机的未燃碳氢排放对模型进行了校准加权系数的确定采用最小二乘法的线性回归技术同时采用相同转速不同负载的实验数据对较准方程进行验证发现模型能够较为理想的反应真实情况 最后应用模型对影响 NJG427A5 发动机未燃 HC 排放的各个因素进行了分析发现增加冷却水温推迟点火或减小间隙容积和压缩比都能降低排放 关键字汽油机碳氢排放最小二乘法模型校准 IIAbstract In this paper, a model was built to predict engine-out hydrocarbon emissions for spark-ignition engines. The model was completely researched and applied to the Model NJG427A5 automobile engine. Engine-out hydrocarbon emissions were studied under normal working conditions with this model. This paper introduces the development of numerical simulation, which especially introduces theoretical researches about uHC emissions all over the world. Then the paper compares their characteristics each other. Based on the analyzing the hydrocarbon mechanisms, the paper finds out that the sources are crevices, oil layers, bulk gas quenching, deposits, liquid fuel and exhaust valve leakage. Then, based on the simplified process of uHC mechanisms into two types, one is in top-land-ring crevice volume and the other is in oil layer. The uHC in top-land-ring crevice volume is regarded as the ideal gas, and Henry Law is believed to control from oil layer absorption and desorption. The main fraction in in-cylinder oxidation is the top-land-ring crevice volume. It is controlled by threshold model. The residual hydrocarbon and exhaust hydrocarbon oxidation models use experience formula. This paper writes the model of uHC emission by FORTRAN90. The parameters of engine are included in the program. We can get the value of uHC emissions just that those parameters are input into this program. Before the calibration of this program, the experimentation of the uHC emissions was measured, and using a least squares linear regression technique performed the calibration. The measured data of uHC emission in the condition of the same speed and the changed load testified that the model has a perfect effect. At last, the paper applies the calibrated model to the NJG427A5 engine. We can predict that delaying the spark timing and increasing coolant temperature, or reducing compression ratio and crevice volume can reduce the amount of uHC emissions. KeywordsSpark-ignition engine, Hydrocarbon emissions, Least squares, ModelCalibration I独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保 密 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 课题背景 内燃机作为现代社会重要的动力装备它所发出的功率占全世界所有动力装备总功率的 50%以上消耗的能源占石油燃料的 60%以上[1]此外它是世界上最大的环境污染源之一所排放的有毒废气约占工业废气的一半左右[2][3]汽油机作为内燃机的一种在摩托车和轻型汽车的制造业中仍是主要部件近年来日趋苛刻的排放法规使降低发动机有害排放量成为内燃机行业关注的焦点发动机制造厂商提供的产品既要满足排放法规的要求又要满足用户对经济性可靠性的要求提高发动机的经济性动力性降低排放污染和噪音以成为当今内燃机研究的主要课题尽管我国对柴油机的投资比较大但汽油机在一定程度上也大量存在由于汽油机的燃烧方式与柴油机不一样造成较大 HC 排放其中的苯并芘是对人体健康损害最主要的物质之一[4] 美国加利福尼亚州的洛杉矶是世界上最早实行汽车排放标准的城市1959 年州政府制定了汽车的排放浓度标准1960 年设立了大气资源局1963 年开始执行汽车排放标准开始限制 CO 和 HC 的排放量日本受美国排放限制的影响早在1965 年就开始着手调查本国大气污染的情况 并逐步制定出排放标准和检测方法并于 1966 年指定了汽车排放污染物指标对 CO 进行了限制1970 起又增加了HC 的限制[5]欧共体早在 1970 年也制定了限制卡车的排放标准随着汽车拥有量不断增多发达国家对汽车排放标准的要求也更为苛刻1992 年制定的欧标准中对汽油机的 HCNOx 排放限制为 0.97g/km2000 年制定的欧标准中仅HC 必须降到 0.2g/km即将出台的欧对 HC 量限制更低[6]尽管我国的环保意识起步较晚从 1983 年起才出现第一部汽车排放的标准法规但随着国民经济的快速发展汽车持有量的迅猛增长在我国大中城市汽车排放所造成的污染日益严重迫使我们作出更为及时的排放标准1999 年国家环保总局参照欧洲汽车排放标准制定出我国 GB147611999 汽车排放标准开始逐步向国际汽2 车排放的先进水平靠拢 2000 年以前 HC+NOx 的排放标准为 1.13g/km 而在 2000年以后的排放标准必须降为 0.5g/km随着排放要求的提高降低发动机的排放就成为一些公司和大学研究的重要课题 在现代发动机未燃 HC 排放研究过程中实验性分析仍是发动机燃烧过程的主要方法随着计算机的普及数值模拟也被广泛运用它的优越性在于能系统全面反映进排气系统和缸内气体运动过程以及它们对燃烧过程的影响计算结果信息大可弥补实验测量布置受限实验费用昂贵等缺陷 1.2 汽油机缸内热力过程数值模拟发展状况 发动机缸内的物理现象极其复杂它涉及各种流体力学及各种化学动力学现象需要建立各种各样的物理化学模型由于这些特点的存在发动机缸内数值模拟也经历了非常艰难的历程 6070 年代虽然出现了一些计算模型和物理模型但因计算条件和这些模型的粗糙性使得数值模拟只能从定性上进行分析进入 80年代出现了像 K湍流模型DDM 喷雾模型NOx 反应模型以及 LES(大涡模拟)等新的计算方法在网格生成技术方面也出现了一些简单的自动半自动网格生成技术具备了一定的计算手段但因计算机技术的限制大多停留在定性分析上在 90 年代发展最多的是自动网格生成技术先后出现了 BFCTetraUnstructureHybrid 以及 Voxel 等又快又具备很强几何适应性的网格生成技术这些网格生成技术为发动机缸内数值模拟提供了很好的发展空间加上更完善的物理化学模型及飞速发展的计算机技术缸内数值模拟技术对发动机优化设计和机理分析提供了很好的手段 目前对内燃机进排气系统及燃烧室内湍流运动进行数值模拟是 CFD 实用化的一部分在定常流动的测量过程中可利用 LDVPIV 等手段对涡流滚流进行测量 汽油机的点火模型受质量和能量守恒方程的控制点火模型可分为不考虑时间变化只考虑最小点火能量或最小点火核半径的现象模型包含时间微分项从零维一维二维以及三维模拟的数学模型 3 发动机缸内数值模拟的一个重要内容就是对燃烧产物的预测它是本文讨论的主要内容虽然排放物模拟也是燃烧模拟的有机组成部分但在燃烧模型中都尽量避开化学动力学机理目前除对 NOx 生成机理的研究外对 HCCO碳烟等排放物的生成机理还没有取得突破性的进展因而对排放物的模拟和预测主要还是基于经验性的现象模型由于目前的试验无法对排放的各组分及各阶段生成产物进行单独考虑所以模拟计算仍然是研究排放生成机理的有利工具70 年代初出现的扩展 Zeldovich 模型在揭示 N。